[发明专利]考虑集合扰动的四容液位系统无差拍模型预测控制方法

说明书

本发明公开了一种考虑集合扰动的四容液位系统无差拍模型预测控制方法。该控制方法针对四容液位系统的液位位置控制和跟踪控制问题，提出了一种基于无差拍模型的预测控制方法，同时针对具有高度非线性、大惯性、强耦合、大时滞等特性的四容液位系统受测量误差、未知扰动和参数的不确定性影响较大，使得控制任务更加复杂、多变量的精确控制也非常困难的问题，本发明采用扰动观测器来估计测量误差、未知扰动和参数的不确定性形成的集合扰动，并形成扰动补偿控制律，进而实现对四容液位系统的高效控制。仿真实验结果表明，本发明方法能够实现四容液位系统中液位的位置控制、跟踪控制和扰动抑制控制。

技术领域

本发明属于工业过程控制技术领域，尤其涉及一种考虑集合扰动的四容液位系统无差拍模型预测控制方法。

背景技术

过程控制在降低能耗、节约成本、提高产品质量、环境保护等方面发挥着至关重要的作用，液位控制在过程控制中使用范围也十分普遍，即在工业领域里展示出十分重要的作用。简而言之，液位控制就是控制某容器内液体的流入量和流出量，使得容器内的液位值达到并保持期望的高度，而且可以让液位在允许的误差范围内波动。优异的控制器可以通过极为有效地控制液体的流进与流出，使液体的液位可以维持在期望的数值上，并且使误差在可以接受的范围内。在工业生产过程中，无论是重工业还是轻工业，化工行业还是食品行业，多容液位系统都得到了广泛的应用。

复杂的过程控制系统本质上是具有多输入多输出特性的系统，在过程控制中，一个输入不仅影响自身的输出，而且还影响着一个或多个其他状态量的输出，具有明显的强耦合特性。所以，由于其状态量相互作用的存在，多变量过程很难控制在期望的参考上。大多数情况下，复杂控制系统具有多输入多输出的非线性行为，具有匹配和不匹配不确定性的操纵和控制变量之间存在复杂的相互作用。

当前，多容液位系统的液位控制任务正面临着高度非线性、大惯性、强耦合、大时滞等因素的挑战，这些因素都会影响控制系统的稳定性，多容液位系统受测量误差、未知扰动和参数的不确定性影响较大，使得控制任务更加复杂，多变量的精确控制也非常困难。因此，研究和解决多容液位系统的多变量控制问题对于工业生产具有重要的指导意义。

无差拍控制(dead-beat control)是离散控制理论的一种控制方法，是针对特定系统，要找到可以在最短时间内让输出进入稳态的输入信号。无差拍预测控制和模型预测控制两者有一点差别在于：无差拍控制不包括约束条件，而模型预测控制必须包含约束条件。两者均属于预测控制理论范畴。

20世纪60年代初期发展起来并日趋完善的现代控制理论，具有最优的性能指标和系统而精确的理论设计方法，在航天航空、制导等领域中获得了卓越的成就。但是在应用于工业过程控制时却没有收到预期的效果。究其原因，现代控制理论的基础是精确的对象参数模型，而工业过程往往具有非线性、时变性、强耦合和不确定性等特点，难以得到精确的数学模型，因而控制效果将大大降低。

面对理论发展与实际应用之间的不协调，学者们从工业过程控制的特点与需求出发，探索各种对模型精度要求不高而同样能实现高质量控制的方法。模型预测控制正是在这种背景下应运而生的一类新型控制算法。一经问世，它就在石油、电力和航空等工业中得到十分成功的应用并迅速发展起来。因此，预测控制的出现并不是某种理论研究的产物，而是在工业实践过程中发展起来的一种有效的控制方法。

对于具有多输入多输出、强非线性和未知扰动特性的系统，简单的控制算法是不够的。此外，扰动对系统的影响很大，不仅影响系统的精确跟踪，而且威胁到整个系统的稳定性。因此，解决扰动问题势在必行。扰动观测器是将外部干扰以及模型参数变化造成的实际对象与名义模型之间的差异等效到控制输入端，即观测出等效集合扰动，并在控制中引入等效的补偿，实现对扰动的完全控制。

发明内容

本发明的目的在于提出一种考虑集合扰动的四容液位系统无差拍模型预测控制方法，以实现四容液位系统中液位的位置控制、跟踪控制以及扰动抑制控制。

本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：